Обгрунтовано, що базовими для обчислення всіх енергетичних величин доцільно прийняти миттєві значення струму споживачів і напругу, а для забезпечення необхідної глибини енергетичного контролю виміри потрібно робити в трьох характерних вузлових точках системи підземного електропостачання: на приєднаннях напругою 0,38-1,14 кВ потужних ЕП (100 кВт і вище), трансформаторних підстанціях (ПУПП) і на високовольтних приєднаннях (КРУ). При цьому для відновлення характеристик процесу електроспоживання вуглевидобувних машин і комплексів із точністю 0,25…0,5%, інтервал дискретизації його одиничних реалізацій, що представляються кусочно-безперервними функціями із середньою тривалістю робочих періодів 10…20 хв, не повинен перевищувати 3…6 с.

У роботі також показано, що в підземних електричних мережах, що мають рівномірне по фазах навантаження, але обмежену кількість первинних датчиків у електромережному обладнанні, необхідну “глибину” контролю потоків ЕЕ можна забезпечити за допомогою принципово нового методу - імітації схем підключення ТА і ТV на основі формування дискретних обчислювальних моделей і перетворенням векторів контрольованих напруги і струму.

У рамках рішення цієї задачі доведена можливість використання для енергоконтролю умонтованих у КРУ і ПУПП первинних перетворювачів (датчиків, для чого розроблені схеми сполучення, у тому числі найбільш економічна й універсальна, вимірювальних каналів аналогового і цифрового типу з іскронебезпечними ланцюгами відповідних первинних датчиків для усіх виділених точок контролю.

Відповідно до схеми, що зображена на рис. 5, обчислювальні моделі для одержання інформації про активну і реактивну потужність за період

промислової частоти з низьковольтних приєднань при мінімальній кількості первинних перетворювачів мають вид [20]: де - коефіцієнти пропорційності (передачі каналу) відповідно для струму і напруги ;

- кількість відліків на інтервалі рівному періоду Т синусоїдальних функцій напруги і струму;

, крок дискретизації синусоїдальних функцій напруги і струму;

;

- повне число відліків.

Особливість вираження (16) полягає в тому, що програмно здійснений поворот вектора напруги на кут 30 при обчисленні активної потужності і на кут - 60 - реактивної.

Подібні обчислювальні моделі використовуються для контролю електроспоживання у вузлах підключення ПУПП і КРУ. Додатково для вузлів СЕП із КРУ можна застосовувати обчислювальні моделі, орієнтовані на використання не одного, а двох умонтованих у них датчиків струму [12]:

де - значення відповідно лінійної напруги і фазного струму в момент часу .

Проте застосування нового методу визначення базових величин у всіх вузлових точках системи підземного електропостачання більш перспективне, тому що створює передумови для розробки засобів контролю зі зниженим власним енергоспоживанням, мінімальними масогабаритними і задовільними метрологічними показниками.

Так, порівняльний аналіз показує, що при класах точності, що мають умонтовані в КРУ і ПУПП первинні перетворювачі, загальна похибка виміру активної і реактивної енергії за допомогою лічильників (припускаємо, що вони є) відповідно дорівнює: у вузлах із КРУ - 2,8% і 3,7%; у вузлах із ПУПП - 4,9% і 6,3%. Застосування нового методу й універсальної схеми знижують відповідні похибки: у вузлах із КРУ - до 2,2%, у вузлах із ПУПП - до 3,6%, а для низьковольтних приєднань - до 1,7%.

Отримані результати послужили основою для обгрунтування параметрів і розробки функціональних блоків, рис.6, і програмного забезпечення системи КТЗ СОЕ.

З її допомогою виконується облік витрат ЕЕ із відображенням даних про поточні й інтегральні параметри електроспоживання в числовій формі й у виді профілів середніх за 30 хвилин навантажень по будь-якій виробничій дільниці або процесу; контроль завантаження електроустаткування СЕП і норм витрати ЕЕ по виділених об'єктах; підтримка диспетчерського управління електроспоживанням шахти; рішення типових задач електрозбереження, а також контроль і відображення миттєвих значень параметрів режиму електроустановок (струму, напруги й ін.) і фазових відношень між ними, що дозволяє оперативно визначати стан приєднань СЕП і діагностувати правильність підключення вторинних датчиків, а також схем комутації ТА і ТV у електромережному обладнанні.

Основні вироби КТЗ СОЕ випробувані й атестовані за рівнем іскробезпеки, ізоляції, вибухозахисту в МакНДІ - державній іспитовій організації по вибухозахищеному обладнанню, а система в цілому успішно витримала іспити в промислових умовах на шахті ім. Н.И. Сташкова ВО “Павлоградвугилля” (Західний Донбас).

У розділі 7 виконана оцінка результатів промислових іспитів і ефективності застосування КТЗ СОЕ.

На основі висновку МакНДІ система КТЗ СОЕ була допущена Державним департаментом “Держнаглядохоронпраці” до промислових іспитів на шахтах небезпечних по вибуху пилу і газу.

Іспити показали, що принципи побудови КТЗ СОЕ (ієрархічність структури, децентралізація обробки первинних даних, імітація схем підключення первинних датчиків, зниження власного енергоспоживання, енергонезалежність живлення й ін.) забезпечили потрібну глибину контролю (за рахунок можливості сполучення функціональних блоків КТЗ СОЕ з існуючим устаткуванням СЕП різної напруги), високу функціональну надійність, а також точність обліку і контролю електроспоживання (середньоквадратична похибка добових вимірів стосовно показань контрольних приладів обліку не перевищувала одного відсотка).

Висока функціональна надійність у роботі КТЗ СОЕ досягнута за рахунок децентралізації обробки інформації й автономної роботи мікропроцесорних пристроїв (ПВУ) із зберіганням інформації протягом 48 часів.

Промислові іспити КТЗ СОЕ підтвердили також економічну доцільність застосування подібних систем для організації енергетичного контролю на підземних гірничих роботах.

Для умов Західного Донбасу наявність на шахтах достовірної й оперативної інформації про режими електроспоживання, завантаження елементів системи підземного електропостачання, питомі витраті ЕЕ гірничих машин і установок дозволяє знизити такі складові:

- витрати ЕЕ на 3…4,5 % ( за рахунок зниження непродуктивних втрат ЕЕ на підземних гірничих роботах);

- максимум активної потужності шахти на 5…15 %( за рахунок відключення і вирівнювання графіків роботи енергоємних установок);

- потужність трансформаторних підстанцій у середньому на 120…150 КВА в розрахунку на комплексно-механізовану лаву з навантаженням до 1000 т/доб;

- перетин жил високовольтних кабелів (матеріал мідь) до пересувних підстанцій на один - два ступеня.

У додатках приведені матеріали про впровадження результатів дисертації, протоколи і документи про проведення промислових іспитів КТЗ СОЕ, дані про умови застосування виробів КТЗ СОЕ, відомості про навантажувальну спроможність первинних датчиків, таблиці з показниками використання мережного й електросилового устаткування систем електропостачання і гірничих машин, інші допоміжні матеріали.

ВИСНОВКИ

У дисертації подане рішення науково-практичної проблеми розвитку наукових і методологічних основ електропостачання і енергозбереження для об'єктів електроенергетичного комплексу вугільної шахти, що полягає в обгрунтуванні принципів декомпозиції систем електропостачання за рівнем узагальнення електричних навантажень, у розкритті нових властивостей і характеру залежностей техніко-економічних показників шахтних різнорідних електричних мереж стосовно точності визначення розрахункових електричних навантажень, виявленні зв'язків і співвідношень між енергетичними і технологічними параметрами гірничих машин, потенціалу електрозбереження на виробничих дільницях і меж регулювальної спроможності енергоємних установок, в обгрунтуванні нового підходу до енергоконтролю на підземних роботах, що дозволило удосконалити методи підвищення ефективності електропостачання, розробити моделі і технічні засоби енергетичного моніторингу нового рівня, комплексне застосування яких забезпечує ресурсоенергозберігаючий ефект більш 300 тис. грн. у розрахунку на шахту з виробничою потужністю 1,0…1,2 млн. тонн вугілля в рік.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у такому:

1. Розроблені, і показали свою ефективність при аналізі СЕП, техніко-економічні моделі для проводів, кабелів і силових трансформаторів, що зв'язують витрати в ці елементи з погрішністю визначення електричних навантажень для їх вибору. У відмінності від моделей, запропонованих акад. Гнеденко Б.В., у них, крім капіталовкладень, враховані витрати на відшкодування втрат ЕЕ, що дає можливість будувати й аналізувати моделі складних об'єктів СЕП при виборі перетинів провідників не тільки по нагріванню, але і втратам напруги й економічної щільності струму - розрахунковим методам, реально використовуваних для вибору параметрів шахтних електричних мереж.

Для неоднорідних шахтних електричних мереж моделі дозволили визначити граничну економічно доцільну погрішність, яка допустима при розрахунку 30 - хвилинного максимуму. Причому, для ступенів розподілу ЕЕ підземних високовольтних мереж і трансформаторів, вона в 1,1…2 разу нижче узвичаєного значення, рівного 10%. Для кабельних і повітряних живлющих ліній і розподільних мереж на поверхні шахти, навпроти, її значення в 1,5…3 і більш разів перевищують узвичаєний норматив .

За допомогою моделей установлено, що для елементів СЕП (провідниковий матеріал алюміній) із відносно великою кількістю годин використання максимуму навантажень Т_м, нормована щільність струму невиправдано завищена, а для провідників із міді, із відносно малим Т_м, - занижена. Тому при виборі перетинів для перших, у якості міри підвищення ефективності СЕП вигідніше застосовувати менші щільності струму, аж до дійсно економічно доцільних. Для других же більш вигідно застосовувати її граничні по нагріванню значення.

Зіставлення ефекту від ресурсозбереження при застосуванні більш точних методів визначення розрахункових електричних навантажень показує, що першочерговою для електроприймачів вугільних шахт є задача зниження погрішності розрахункових методів для вибору параметрів систем підземного електропостачання і трансформаторів.

2. Удосконалено метод розрахунку електричних навантажень вугільних шахт, що базується на застосуванні статистичних моделей формування максимальних навантажень споживачів. Відрізняє його від відомих те, що для підвищення точності, активну середньозмінне навантаження, як базову частину розрахункової моделі, рекомендується визначати по питомій витраті (нормі) ЕЕ або енергетичним характеристикам гірничих машин і комплексів, а реактивну - по кореляційних моделях, що враховує тісноту зв'язку між цими складовими. При цьому вперше, для оцінки ефективності функціонування методики, запропонований критерій, що забезпечує оперативну перевірку достовірності результатів розрахунку та відрізняється простотою обчислення і можливістю використання еталонної інформації, яка безперервно обновляється на діючих шахтах-аналогах.

3. За допомогою експериментально-дослідницького підходу встановлено, що потенціал ресурсозбереження в системі підземного електропостачання, обумовлений завищенням електричних навантажень електроприймачів на видобувних, прохідницьких і транспортних дільницях складає 1…4 ступеня по перетину кабельних ліній і у середньому 120…150 кВА по потужності пересувних трансформаторних підстанцій; резерви підвищення рівня енерговикористання для комплексно-механізованих лав із добовим видобутком 1000 тонн вугілля рівні 13…19%, для магістральних конвеєрів - 12…57%, для електронасосних установок головного водовідливу - 3…8%; регулювальні можливості потенційних споживачів-регуляторів, стосовно максимуму навантаження шахти, знаходяться в таких межах: електронасосні установки - 5…15%, підйомні двохскіпові установки - 0,9…4,4% - при вирівнюванні графіка навантажень, і до 7,5% - при відключенні, підйомні односкіпові установки - 0,6…1,8% - при вирівнюванні, і до 3,5% - при відключенні, одиночні магістральні конвеєри - 0,5…1,5%, транспортні лінії - 6…9%, - при наявності акумулюючих бункерів.

4. Розроблено систему статистичних моделей для контролю електроспоживання і управління енергетичною ефективністю гірничих машин і установок на видобутку і транспортуванні вугілля, а також проходці гірських виробіток. Математичним аналогом для їх побудови послужили дрібно-лінійні функції гіперболічного типу . Для прохідницьких комплексів і магістральних конвеєрів вони ближче до чисто гіперболічного типу. Підібрані моделі універсальні, тому що різними є лише їх коефіцієнти, що залежать від типу гірничої машини і конкретних умов її експлуатації. Моделі адекватні і дають результати з прийнятною для цілей електрозбереження точністю. Так, для середніх швидкостей подачі комбайнів погрішність визначення питомої витрати ЕЕ, при довірчій ймовірності , лежить у межах 2,9…4,6%. Для прохідницьких комплексів ці цифри складають 10,2…12,2%, а для моделей конвеєрних установок рівні 2,9…5,8%... Для крайніх значень діапазону досліджуваних параметрів (гірший випадок) межі погрішності збільшуються приблизно вдвічі.

Практична цінність моделей складається в тому, що вони в умовах експлуатації дозволяють контролювати питому витрату ЕЕ, визначати резерви електрозбереження й уставки для задатчиків швидкості подачі локальних систем автоматичного управління комбайнами і реально, таким чином, впливати на енергоэфективність гірничих машин і комплексів.

5. Розроблено новий метод визначення регулювальної спроможності споживачів-регуляторів (СР), що покладений в основу розрахунку додаткового критерію управління навантаженням, що знімає невизначеність у виборі глибини багатократних оперативних обмежень і їх тривалості шляхом оперативного розрахунку кількості енергії, на котре припустимо зменшити електроспоживання СР або шахти в цілому в часи максимуму навантаження енергосистеми, що забезпечує гарантоване виконання виробничих завдань і обмежень, встановлюваних енергопостачальною організацією.

6. Використання багатоагрегатних ВУ в режимі СР призводить до того, що через наявність тривалих за часом форсованих режимів, фактичні питомі витрати, у порівнянні з питомими витратами на відкачку води поодиноко працюючими на ту ж трубопровідну мережу електронасосами, зростають на 10 - 30 %, а їх подача при цьому знижується відповідно на 10-35 %. Вперше показано, що через це ефективність регулювальних заходів при диференційованому тарифі знижується більш ніж на 30 %, а при одноставочному робить ці заходи збитковими для споживача.

Тому при існуючих умовах електропостачання і тарифах на ЕЕ основними критеріями управління електроспоживанням багатоагрегатних електронасосних установок на шахтах повинні стати підвищення енергоефективності кожного агрегату - задача локального рівня управління, і мінімізація плати за ЕЕ в цілому по водовідливному комплексу при виконанні обмежень, що накладаються енергосистемою, - задача більш високого рівня управління. Запропонований підхід у порівнянні з двохпозиційним управлінням відбиває енергетичну й економічну сутність регулювання, побудований на достовірних закономірностях, наочний, критерії оперативно і просто обчислюються, а процес управління може бути автоматизований за допомогою сучасних систем контролю і регулювання.

7. Запропоновано удосконалений метод управління шахтними ПУ як СР у масштабі реального часу, що полягає в тому, що вирівнюється ГЕН власне ПУ, причому як на періоді системних максимумів, так і за їх межами. У першому випадку - із метою забезпечення встановленого для шахти рівня граничного максимуму навантаження, у другому - із метою зниження потужності ЕП аварійної броні, виключення перевантаження і зниження втрат ЕЕ в елементах СЕП.

Відрізняється метод від відомих тим, що практично виключає ймовірність припинення роботи видобувних і прохідницьких дільниць при нормальних умовах роботи шахти і сприяє мінімізації нерівномірності ГЕН ЕП аварійної броні в надзвичайних ситуаціях. Крім цього такий підхід до управління дозволяє знизити граничну електричну потужність для шахти в середньому на 15% номінальної потужності електродвигунів ПУ.

8. Для систем підземного електропостачання запропонований імітаційний метод визначення базових для контролю електричних величин, що опирається на дискретні обчислювальні моделі, в основі яких лежить поворот векторів напруги і струму на любий заданий кут програмним способом. При цьому встановлено, що інформація про енергетичні параметри гірничих машин і установок, графіки навантажень яких являють собою приблизно кусочно-безперервні функції часу, буде достовірною, якщо інтервал квантування їх за часом буде дорівнювати 3…6 с.

9. Вперше на Україні, для підземних гірничих робіт створена ієрархічна за структурою територіально розподілена система енергоконтролю нового технічного рівня - КТЗ СОЕ, яка у порівнянні з розробками аналогічного застосування має високу гнучкість і надійність функціонування, кращі масогабаритні показники, метрологічні характеристики (гранична погрішність, без урахування внеску первинних датчиків, не перевищує 2,5%), забезпечує діагностику електроустаткування, потрібну глибину контролю, дружній інтерфейс і не поступається розробкам такого ж цільового призначення розвинутих країн, наприклад, Німеччини.

Основні результати дисертації в комплексі з іншими дослідженнями і розробками, включаючи виконані і впроваджені на шахтах Західного Донбасу, були включені в науково-практичну роботу “Розробка та впровадження способів і технологій збереження геологічного середовища і забезпечення повноти ефективного, енергозберігаючого виймання запасів вугілля в Західному Донбасі” (Автори: В.І. Бондаренко, І.Є. Головчанський, В.Т. Заїка, Г.Г. Півняк, А.Г.Разводов, І.О. Садовенко, Ю.М. Халимендик, А.В. Шмiголь), що у 1998 році відзначена Державною премією України в області науки і техніки, а вчені, що перераховані вище, визнані достойними звання її лауреатів.

Наукові положення та результати опубліковані у 39 працях, з котрих основні такі

1. Электроснабжение угольных шахт /С.А. Волотковский, Ю.Т. Разумный, Г.Г. Пивняк, В.И. Тесленко, Ф.П. Шкрабец, М.М. Белый, В.Н. Герасимович, В.Т. Заика, А.И. Курьян. - М.: Недра. - 1984. - 376 с.

2. Пивняк Г.Г., Заика В.Т., Разумный Ю.Т. О нормировании погрешности в расчетах электрических нагрузок промышленных предприятий // Электричество. - 1988. - № 6. - С. 66 - 69.

3. Заїка В.Т. Роль електричних навантажень при проектуванні систем електропостачання вугільних шахт. - Науковий вісник НГА України. - Дніпропетровськ: РВК НГА України. - 1999. - № 1. С. 119 - 124.

4. Совершенствование расчетов электрических нагрузок на уровнях обобщения/ Ю.Т. Разумный, В.Т. Заика, А.Г. Плахотный, А.А. Шишацкий // Гірнича електромеханіка та автоматика.- Київ.- Техніка. - 1990.-Вып. 57. - С. 3 -7.

5. Півняк Г.Г., Заїка В.Т. Експериментальні дослідження завантаженості електромережного обладнання з метою підвищення ефективності систем підземного електропостачання/ Вісник ВТУ. - Вінниця. - 1999. - № 6. - С. 26 - 32.

6. Пивняк Г.Г., Разумный Ю.Т., Заика В.Т. Новые способы и проекты повышения эффективности электроэнергетического комплекса угольной шахты /Науковий вісник НГА України. - Дніпропетровськ: РВК НГА України. - 1999. - № 6. С. 99 - 105.

7. Заїка В. Моделі для довгострокового та оперативного управління ресурсо- і електрозбереженням на вугільних шахтах // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. - Електроенергетичні та електромеханічні системи. - 1997. - № 340. - С. 47 - 51.

8. Пивняк Г.Г., Заика В.Т., Чен Ю.А. Оценка регулировочной способности промышленного предприятия при оперативном управлении электропотреблением. - Промышленная энергетика. - 1989. - № 11. - С. 34-37.

9. Півняк Г., Заїка В., Волошин В. Моделювання режиму роботи водовідливної установки з метою покращення її енергетичних показників // Технічна електродинаміка. - 1998. - Специальный выпуск. - С. 87 - 90.

10. Заика В.Т. Модели систем электроснабжения и горных машин в задачах электросбережения // Гірнича. електромеханіка та автоматика. - Наук.-техн. зб. - 1998. - Вип. 1(60). - С. 3 - 12.

11. Заика В.Т. Регулировочная способность электроприемников в составе технологических звеньев угольной шахты и способы ее реализации для управления электросбережением // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. - 1998. - Вип. 1(60). - С. 35 - 40.

12. Пивняк Г.Г., Ткачев В.В., Заика В.Т., Шишацкий А.А., Надточий В.В., Разумный Ю.Т. Система учета и контроля расхода электроэнергии для угольных шахт// Промышленная энергетика. - 1992. - №7. - С.19 - 21.

13. Разумный Ю.Т., Заика В.Т. Пути совершенствования методов расчета электрических нагрузок // Эффективное использование электроэнергии и топлива в угольной промышленности. - М.: Недра, 1990. - С. 31-35.

14. Заика В.Т. Анализ статистических моделей удельного электропотребления угледобывающих комплексов // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. - 1999. Вип. 4 (63). - С. 27 - 37.

15. Заїка В.Т. Статистичні моделі для аналізу енергоефективности прохідницьких комплексів / Вісник ВТУ. - Вінниця. - 2000. - № 1. - С. 36 - 40.

16. Пивняк Г.Г., Разумный Ю.Т., Заика В.Т. Энергетическая безопасность угольных шахт Украины// Уголь Украины. - 2000. - № 5. - С. 9 - 12.

17. Заика В.Т. Модели для контроля энергетической эффективности шахтных магистральных конвейерных установок // Науковий вісник НГА України. - Дніпропетровськ: РВК НГА України. - 2000. - № 2. С. 72 - 77.

18. Заика В.Т., Разводов В.Г. Комплексная оценка и повышение энергоэффективности работы шахтных водоотливных установок // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. - 2000. - Вип. 64. - С. 17 - 26.

19. Заика В.Т. Эффективность регулирования электропотребления многоагрегатных водоотливных установок шахт при различных тарифах на электроэнергию // Науковий вісник НГА України. - Дніпропетровськ: РВК НГА України. - 2000. - № 6. С. 87 - 90.

20. Пивняк Г.Г., Заика В.Т., Разумный Ю.Т., Рыбалко А.Я. Цифровая обработка информации для контроля энергоиспользования горных машин и комплексов с программной имитацией схем включения первичных преобразователей. - Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. - 2000. - Вип. 65. - С. 27 - 31.

21. Заїка В.Т. Критерії моделювання енергоефективної роботи багатоагрегатних електронасосних установок / Вісник ВТУ.-Вінниця. - 2000. - № 6. - С. 41- 46.

23. Патент № 2030057 Россия, МКИ H 02 J 13/00.Устройство для автоматического управления электрической нагрузки / Г.Г. Пивняк, B.T. Заика, А.И. Лазорин, В.В. Слесарев, Ю.А.Чен (Украина). - 16 с. Приоритет 9.08.91; Зарегист. 27.02.95 // Открытия. Изобретения. - 1995.- № 6.- С. 47.

24. Пивняк Г. Г., Заика В.Т. Система энергосбережения для угольных шахт// Сборник трудов ІІІ Международной науч. конф. “Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий”. - 15-17 сентября 1994, Мариуполь, Украина. - 1994. - С.266-267.

25. G.Pivnyak, V.Zaika. Complekx method of approach to the electric-power consumption control in coal mines. - ICAMC'95. - Helion. - Sp Z 0.0. - GLIWICE, POLAND - P.365-368

26. Zaika V. Computer system for indicating the reserves of the electric power saving and control system for the electric power consumption in coal mines // Proceedings of the fifth international symposium on mine planning and equipment selection/ Sao Paulo/ Brazil / 22-25 october 1996. - P.531 - 535.

27. Заика В.Т. Методическое и техническое обеспечение задач электросбережения для угольных шахт // Международная научно-практическая конференция “ХХІ столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых”: Сб. науч. Трудов НГА Украины № 3, Том 6. Горные машины и комплексы. Прогрессивные техника и технологии горного машиностроения. Электроснабжение, электропривод и электроприборы горных предприятий. Геоинформационные технологии. - Днепропетровск. - РИК НГА Украины. - 1998.- С. 280 - 287.

Размещено на Allbest.ru